Впервые измерен атомный спектр нобелия

Международная группа физиков впервые измерила спектр ионизации нобелия — элемента, занимающего 102-ю клетку таблицы Менделеева. Это первое подобное измерение для элементов с порядковым номером больше 100. Такие спектры позволяют ученым предсказать химические и физические свойства атомов с короткоживущими изотопами, прямые эксперименты с которыми очень сложны в постановке. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает пресс-релиз Технологического университета Дармштадта. 

Элементы, расположенные в периодической таблице после фермия (100-й элемент), обладают малыми временами полураспада. Рекордсменом по стабильности среди них можно назвать менделеевий, 101-й элемент — его изотоп с массовым числом 258 обладает периодом полураспада в 51 день. Далее с ростом атомного номера стабильность резко падает. Кроме того, такие элементы обычно получают в микроскопических количествах (всего нескольких атомов в секунду), что значительно осложняет исследование их свойств. Из всех трансфермиевых элементов лишь для лоуренсия (103-й элемент) известен потенциал ионизации.

В новой работе физики воспользовались методикой лазерной резонансной спектроскопии, для того чтобы изучать спектры атомов нобелия. По словам ученых, чувствительность использованной техники позволяла определить электронные переходы в «образце», содержащем всего 4 атома. Изотоп нобелия-254, использовавшийся в исследовании, обладает временем жизни около 51 секунды.

Нобелий-254 физики получали в специальной камере, в которой свинцовая фольга (изотоп ²⁰⁸Pb) бомбардировалась изотопами кальция-48. После слияния ядер атомов образовавшиеся тяжелые частицы отделяли и переправляли в специальную ловушку, содержавшую аргон. Охлажденные частицы оседали на танталовую проволоку в ловушке. 

Для проведения спектральных исследований проволоку с накопившимся на ней нобелием нагревали до 1000 градусов Цельсия и затем с помощью импульсов лазера с определенной длиной волны облучали испаренное вещество. Если энергии фотонов, поглощенных нобелием, оказывалось достаточно для того, чтобы оторвать от атома внешний электрон, происходила ионизация и положительно заряженная частица направлялась на детектор электромагнитным полем — затем ее фиксировали по характерному альфа-распаду. 

Таким образом ученым удалось определить потенциал ионизации изотопа — важную с точки зрения химических свойств величину. Она составила 6,505–6,665 электронвольт. Эта величина соответствует потенциалам ионизации остальных лантаноидов и актинидов (элементов, расположенных под традиционной, «короткой» таблицей Менделеева). Кроме того, физики смогли оценить потенциал ионизации нобелия-252, рождавшегося одновременно с нобелием-254. По словам ученых, соответствующий пик в спектре сдвинут на 0,00004 электронвольта относительно пика нобелия-254. Авторы связывают этот сдвиг с разницей в размерах атомных ядер. Этому будет посвящена отдельная научная статья коллектива.

Измеренный ранее потенциал ионизации лоуренсия оказался равен 4,96 электрон-вольта, что значительно меньше, чем у соседнего с ним нобелия. Такая разница стала новым аргументом в споре о том, к какой группе элементов таблицы Менделеева правильнее его относить: f-элементам (актинидам, где он сейчас и располагается), d-элементам (переходным металлам, начинающимся в соответствующем периоде с резерфордия) или же p-элементам (непереходным элементам подгрупп бора, углерода, азота, кислорода, фтора и благородным газам). На последнюю группу указывают необычные проявления релятивистских эффектов, из-за которых электроны в лоуренсии, по всей видимости, обладают «неправильным» порядком заселения орбиталей. 

Потенциал ионизации — мера того, насколько легко атом может отдавать свои электроны. Традиционно ее связывают с химической активностью и металлическим характером элементов. Так, типичные металлы — калий, рубидий, цезий — обладают потенциалами менее пяти электрон-вольт. Самый неактивный в химическом смысле элемент — гелий — обладает потенциалом свыше 20 электрон-вольт.

Владимир Королёв